第5章 热和能的奥妙 谁在左右世界的温度
我们需要泡茶的时候，会在煤气灶上烧一壶水，过不了一会儿，煤气灶上面的水壶就开始呼呼作响了——水烧开了！你有没有想过，这个看似简单的生活常识背后体现了怎样的物理原理呢？没错，这是因为天然气燃烧的化学能转化为了水的热能。在日常生活中，我们总会谈到天气的温度或者食物中的能量，它们都与物理学中的热和能息息相关。那么接下来，就让我们一起去感受一下热和能的奥妙吧！
有这样一种有趣的现象，不知你平时有没有注意到：街边的电线在夏天似乎变长了，“松松垮垮”地弯曲下来；而在冬天，它们总是绷得紧紧的。这就是物理世界中有趣的热胀冷缩现象。那么，为什么会出现这样的情况呢，这种现象背后隐藏着什么样的秘密呢？
热胀冷缩是指物体在一般状态下，受热以后会膨胀，在受冷的状态下会收缩。这是人们非常熟悉的一种基本性质，几乎所有物体都具有这种性质。
产生热胀冷缩的原因是由于物体内的粒子运动时，会随温度的改变而改变，当温度下降时，粒子的振动幅度便会减少，使物体收缩；而温度上升时，粒子的振动幅度加大，令物体膨胀。温度越高，组成物体的分子的运动就越剧烈，分子间的相互碰撞也就越剧烈，分子间的距离也就越来越大了。举个形象一点的例子解释，一群人，如果站着不动的话就可以站得很密很紧，但是当大家都乱蹦乱跳的时候就不可能像静止的时候站得那么紧密了。
热胀冷缩这种现象是非常常见的，在日常生活中到处充斥着热胀冷缩的现象。比如：馒头热的时候大而松软，但冷了以后，不仅个头儿缩小了，而且还会变硬；如果注意观察会发现，人们在铺沥青马路时，隔一段路就会留有一些空隙，这就是为了防止夏天在太阳光的暴晒下，沥青会受热膨胀而使路面隆起；修铁轨同样是到了一定长度后就要留空隙，再接着往下延伸，因为如不留空隙，在夏天高温下铁轨就会膨胀隆起；高速公路修建金属护栏的时候，会在接头处留下一部分空隙，也是防止在高温下护栏膨胀，而受到损坏；人们在夏天为自行车、电动车、摩托车、汽车等的轮胎充气的时候都不会充得太足，也是为了防止温度高时，因气体膨胀而引起爆胎……
绝大多数物质都遵循“热胀冷缩”的规律，但自然界充满着迷幻的色彩，因此，经常会有一些不一样的事物出现，来引起人类的研究。
水就是那个例外之一。人们通过实验得到了水的密度随温度变化的曲线，据此可知，水在由0℃升高时，会出现一种特殊的现象。在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由摄氏四度继续上升的过程中，水的密度逐渐减小。这是因为水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。
在自然界中，除了0℃~4℃的水不属于热胀冷缩的这个家族之外，金属锑也是另类。
锑这种银白色的金属总共有四个“孩子”，人们见到次数最多是老大，名字叫“灰锑”。它还有三个小“弟弟”，依次是黄色的黄锑、黑色的黑锑和爆炸锑。不过，这三个小弟弟的化学“性格”都不稳定。黄锑比较喜欢低温，温度一超过零下八十摄氏度，它就不能活下去，于是变成了黑锑。而黑锑只要一加热就会变成人们常见的灰锑。至于爆炸锑，更是不得了，只要你用一个硬东西碰一碰它，它就会“火冒三丈”，同时放出大量的热，很快变成灰锑。
而锑最反常的地方是，它不但不符合一般的物体热胀冷缩的规律，而且与之相反，液态的锑在冷却凝固时，体积是越来越大的，即它会热缩冷胀。
过去，利用锑的这个秉性，人们制成了铅字。将一些液态的锑加入熔化了的铅字合金中，然后把混合起来的熔液倒入铜模里冷却凝固，固态的铅字合金的体积就会增大一些，从而使每一个细小的笔画都十分清晰地凸现出来。不仅如此，加入锑后，还能使铅字合金更加坚硬、耐磨。
孔明灯
我们熟悉的孔明灯就是充分利用了热胀冷缩的原理制作出来的。相传，诸葛亮当时被司马懿困于平阳，无法与外界联络，为了传递军情，所以发明了用纸扎的大型灯笼上浮到空中后当成求救信号。知名学者李约瑟也指出，1241年，蒙古人曾经在李格尼兹（Liegnitz）战役中使用过龙形天灯传递信号。
2. 温度计量“双胞胎” 华氏度和摄氏度
大家都量过体温，知道人体的正常温度通常在36.5度左右，如果你的体温超过了这个限度，那是发烧了。我们这里所说的“度”指的是摄氏度。你们知道吗，在温度世界中，还存在着华氏度，它是另一种温度计量单位。我们现在就去了解一下摄氏度和华氏度的区别和联系。
同为表示物体冷热程度的物理量，摄氏度、华氏度就像是双胞胎，看起来很像，却是两个完全不同的温标。但由于是双胞胎，虽然不同，却也有着深厚的“联系”，T℉=1.8t℃+32（t为摄氏温度数，T为华氏温度数），这就是它们的相互转换式。
1709年，德国人华伦海特发明了实用酒精温度计，这是他发明的第一个温度计。1714年，他又选取氯化铵和冰水混合物的温度为温度计的零度，以水银为测温介质制成了玻璃水银温度计，且定出了历史上第一个经验温标──华氏温标，使温度测量第一次有了统一的标准，从而使热学走上了实验科学的道路。
在最初，华伦海特把水、冰和氯化氨或盐的混合物的温度作为一个固定点，定为0度。接着，他选用自己的妻子作为典型的健康人的体温作为另一个固定点，定为96度。后来，华伦海特又扩展了他的温标，他把冰水混合物的温度作为第三个固定点，定为32度。随着研究的继续，他又把水在1标准大气压下的沸点作为一个固定点，定为212度，这就是华氏温标，人们用符号℉表示。
在发明了华氏温标之后，华伦海特还进行过一系列有关热学的实验研究。他发现每一种液体都像水一样有一个固定的沸点，液体的沸点随气压的不同而变化，而这一发现对精密的计温学有着重大的贡献。在1721年他发现了水在冰点以下仍保持液态即水的过冷现象，并以此现象为基础，成功设计了新型比重计，编制了物体的比重表。不仅如此，他还研究了液体的沸点与压强和溶于其中的盐的含量关系，成功设计了带气压表的温度计。这些都为热学的发展和研究奠定了重要的基础。
而同样是在18世纪时期，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出了新的温度划分方法：在1标准大气压下，把水的沸点定为0度，水的凝固点定为100度，其间分成100等份，1等份为1度。但是，人们在使用过程中感到这种方法很不方便，于是，1750年，摄尔修斯听从他的同事施勒默尔的建议，把这种标度倒转过来：把冰水混合物的温度设定为0度，把沸水的温度设定为100度，它们之间分成100等份，每1等份是摄氏度的一个单位，叫作1摄氏度。开始时，人们称它为“瑞典温度计”，直到1800年，也就是大约在50年后，人们才正式称它为摄氏温度计。
除了有关摄氏温度的研究，摄尔修斯还对沸点与气压的关系进行了研究，他证明了气压不变，液体的沸点也不变化这个现象。除此之外，他把40单位体积的水和10单位体积的硫酸混合，结果得到的液体只有48单位体积。这证明了不同液体混合后体积减小的现象。这些研究都为后世作出了不小的贡献，为人类攀登科学大厦提供了助力。
1948年，第九届国际计量大会在巴黎召开，为了纪念摄尔修斯，根据“名从主人”的惯例，把百分温标正式命名为“摄氏温标”，摄氏温标的单位是“摄氏度”，用℃表示。
1954年，第十届国际计量大会上，摄氏度被纳入了国际单位制，单位名称“度”已作废，改为用开尔文计算，即273.15开尔文成为表示摄氏温度时的一个专门名称。
现在，除了美国和其他一些英语国家使用华氏温标来计算温度外，世界上很多国家（包括我国在内）都使用摄氏温标来计算温度，很少使用华氏。
冷血动物
冷血动物，亦称变温动物，它们不需要用自己的能量来取暖或降温，只需要较少的能量来维持体温和生理机能。相比恒温动物，同样重量的变温动物只需要十分之一至三分之一的能量便能过活。它们比较容易积储足够的能量，因此也只需要相对少的食物。食物中得来的能量可以更多地用于生长。因此冷血动物把食物转化为身体生长的效率比恒温动物高。另外，变温动物的繁殖期也比较短。在外界环境或食物供给情况变化较大的条件下，冷血动物更易于存活。
3. 宇宙中的温度 宇宙中的巨大能量
科学家通过研究表明，温度过高或者过低，都会对生命的出现产生巨大的影响。地球是一颗神奇的星球，它之所以能够孕育出多姿多彩的生命与它的温度环境息息相关。宇宙是广袤无边的，宇宙中的温度也各不相同，下面我们就来谈论一下宇宙温度，领略一下多种多样的宇宙空间。
地球上、太阳上、月球上、冥王星上……温度可以说是无处不在。在整个宇宙环境当中，不同的星球由于空间位置的不同而存在着温度的差别。比如说，在太阳系里，太阳的表面温度是6000℃，而离太阳较远的冥王星的表面温度却只有-240℃。再比如说，传说中的牛郎星与织女星，在夜里的星空中，它们只是像忽闪忽闪的眼睛而已，可是其实织女星的表面最高温度竟达10000℃，而牛郎星的表面最高温度也达8000℃，真可谓是“热恋之星”。
想想看，如果地球上的人类要到炽热的太阳上去，那恐怕还没到达早已化为灰烬了；再想想，如果人类到寒冷的冥王星去，那么肯定会在阴冷的环境当中冻成冰尸。因此，宇宙中各行星的冷热不同，也决定了生命的存在与否。只要位置适当，生命是完全有可能存在的。地球就是最为典型的例子。
生命诞生的偶然之中包含着必然。我们今天这个美丽的世界：河流、山川、红花、绿树等的形成，都离不开适宜的温度。合适的温度是地球上诞生生命的各种条件中必不可少的因素之一。因为化学反应要正常进行物质分解或重组，只有在适宜的温度下才能进行。
温度是分子平均动能的标志，它是决定一个系统是不是与其他系统处于热平衡的物理量，其基本特征主要在于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。这些不同的分子、原子在不同的温度下不断变化，构成了我们这个精彩的世界。如果温度较高，那么分子、原子振动的速度就很大，分子之间距离就较大，此时物质为气态。但随着温度的不断降低，分子运动变得十分平缓，分子间的距离也缩小，在这个时候物质就成为液态。
在现实生活中，人们比较熟悉的温度范围是地球表面的气温变化范围，即-90℃~61℃。其实在茫茫宇宙中，有很多关于温度的东西已被人类得知，但只是我们目前还不太了解而已。比如说绝对零度。
绝对零度，也就是热力学温标的开始，这是温度的最低极限，相当于-273.15℃。其实，绝对零度无法测量是依靠计算得出来的，这是一个只能逼近而不能达到的最低温度。经过科学家们的无数次试验后，1926年，得到了0.71K的低温；1933年，得到了0.27K的低温；1957年，创造了0.00002K的超低温记录；目前，人们已得到了距绝对零度只差三千万分之一度的低温，但仍不可能得到绝对零度。那么，如果真的有绝对零度，能不能检测到呢？会不会有一种测量温度的仪器可以测到绝对零度而不会干扰受测的系统？研究发现，温度降低时，分子的活动就会变慢，因此依靠计算得出，当降到绝对零度时，所有的原子和分子热运动都将停止。分子是静止的，所以就得出了绝对零度的概念。
当然，除了难以想象的低温，宇宙环境中还存在着非常炙热的高温。科学家们认为，宇宙大爆炸那一刻，温度达到无穷大；宇宙大爆炸后10-44秒，温度约为1亿亿亿亿度；宇宙大爆炸后10-36秒，宇宙温度继续下降，当时的温度约达到10000亿亿亿度；宇宙大爆炸后10-32秒，温度约达到1亿亿亿度；宇宙大爆炸10-12秒后，温度达到1亿亿度；宇宙大爆炸后10-6秒，温度达到10000亿度；宇宙大爆炸后10-4秒，温度达到1000亿度，这个温度也是超新星爆发时其星核的温度；宇宙大爆炸后1秒，温度降低到约为100亿度；在大爆炸后的大约3秒，温度降到了10亿度，这也是最热的恒星内部的温度。
宇宙大爆炸\/BigBang
宇宙大爆炸是描述宇宙诞生始初条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿~139亿年前）演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。
4. 原子的结构 原子科学的第一道门
在微观世界中，有一种比分子更小的物质叫作原子。很久以来，化学家们都认为原子已经是极限，不能再往下分割了，它就是组成物体的最小的单位。然而，真的是这样吗？原子真的不能再分割了吗？原子内部会是怎样的结构呢？
原子在古希腊语中的意思是：不可分割。自古以来，化学界都坚信这一流传下来的理念。但是在1897年，汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。这一发现明确地向人们表示：原子有着自己的内部结构，它是可以继续分割的。
那么，原子内部的结构是怎么样的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，但是他凭自己的想象勾勒出这样的图景：原子呈球状，带正电荷，而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。由于这样的形容很容易让人联想到电子就像布丁上的葡萄干一样，因此这种结构被人戏称为“葡萄干布丁”模型。
但是在1910年，卢瑟福和他的学生们在他的实验室里进行了一次非常著名的实验。他们想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质，于是用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，可是结果却出人意料：有少数α粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。卢瑟福这样说道：“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样。”他意识到，α粒子被反弹回来，就说明它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。
由于这样的发现，卢瑟福决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。于是，1911年，卢瑟福发表了他构建的新模型。这个模型中，在原子的中心有一个占据了绝大部分质量的“原子核”，而原子核的四周，则是带负电的电子沿着特定的轨道绕着它运行。在这里，原子核就像是太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。
但是，问题又接踵而至：这个体系是不稳定的。带负电的电子绕着带正电的原子核运转，两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。
另一位科学家玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀疑成分。由于α粒子散射实验的强力支持，玻尔开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来把这篇论文称为“曼彻斯特备忘录”。不过，玻尔当时对原子光谱的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，但是，正是因为这一系列的发现，最终促成了量子论的发现。这无疑给化学世界乃至整个科学界注入了一种新的生机，一种有着新鲜气息和希望的活力。
原子可以再分的理论，就如同流星一样，虽然短暂，但却让浓云密布的天空中出现了一线微光。正是这光芒照亮了人们前进的道路，引导他们去继续寻找真理，寻找光明。
原子论带来的荣誉
英国伟大的科学家道尔顿为近代原子论的建立作出了不可磨灭的贡献。原子论建立以后，道尔顿名震英国乃至整个欧洲，各种荣誉纷至沓来：1816年，道尔顿当选为法国科学院院士；1817年，道尔顿被选为曼彻斯特文学哲学会会长；1826年，英国政府授予他金质科学勋章；1828年，道尔顿被选为英国皇家学会会员；此后，他又相继被选为柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员，还得到了当时牛津大学授予科学家的最高荣誉——法学博士称号。
5. 丁达尔效应 揭秘看不见的粒子运动规律
在我们的生活中，所有事物都有自己的规律。比如走在大街上，车辆都沿着马路右侧行驶，行人则在人行道上徒步行走，在十字路口还会有红绿灯指挥交通……一切都是那么的井然有序。其实，微观世界中粒子的运动也是非常有规律的。接下来，就让我们来了解一下丁达尔效应，看看微小的粒子是如何运动的。
当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象为丁达尔现象也叫丁达尔效应。上述现象是英国物理学家丁达尔首先发现的。一般情况下人们把丁达尔效应分为较为容易被发现的胶体丁达尔现象和暗室中的丁达尔现象。
光在射到微粒上可以发生两种情况，一是当微粒直径大于入射光波长很多倍时，发生光的反射；二是微粒直径小于入射光的波长时，发生光的散射。而胶体中分散质微粒对可见光散射而形成的光的反应，就是胶体的丁达尔现象发生的原理。散射光的强度，随着颗粒半径增加而变化，但是这个分寸是很难掌握的。因为如果溶质微粒太小，入射光散射会很微弱，所以观察不到丁达尔现象；但如果悬浊液中分散质微粒直径太大，那么对于入射光只有反射而不散射。所以，要观察丁达尔效应，需要在溶胶状态下进行，这样才会有比较明显的乳光，而这个时候的微粒就好像一个发光体，通过无数发光体散射结果，就形成了光的通路。如果在平常的空间中不好进行实验的话，也可以在暗室中进行实验。在暗室中，让一束平行光线通过一肉眼看来完全透明的溶胶，从垂直于光束的方向，可以观察到有一浑浊发亮的光柱，其中有微粒闪烁，这个现象也是丁达尔效应。
根据散射光强的规律和溶胶粒子的特点，只有溶胶具有较强的光散射现象，故丁达尔现象常被认为是胶体体系。举几个在生活中的例子，简单地解释一下丁达尔效应。如晴天时天空中的蓝色，黑夜中看到的探照灯的光束，都是粒子对光的散射作用，这些其实都是丁达尔效应。
在现代医学上，胶体常常被利用来检验或治疗疾病，如胶态磁流体治癌术就是将磁性物质制成胶体粒子，作为药物的载体，在磁场作用下将药物送到病灶，从而提高疗效。另外，国防工业中有的火药、炸药的制造，一些纳米材料的制备，冶金工业中的选矿，石油原油的脱水，塑料、橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体。
综上可见，在工业发展和日常生活中，胶体都有着重要的作用。那么，如何把其他物质和胶体区分开来呢？人们常常利用丁达尔效应来区分胶体和溶液。由于散射光的强度会随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此真溶液对光的散射作用很微弱，形不成丁达尔效应，只有胶体才会发生丁达尔效应。
人们常常把丁达尔效应误会成是化学变化，但是仔细研究它的定义就会发现，它只是根据对光的一种散射形成一种现象，并没有任何新的物质生成，而化学变化中最根本的要求便是生成新的物质，因而，丁达尔效应根本不可能是化学变化。
树林中的丁达尔效应
云、雾、烟尘等也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。因而，清晨时分，在茂密的树林中，透过枝叶间的缝隙，常常可以看到一道道的光柱，类似这种自然界的现象，也是货真价实的丁达尔现象。
6. 粒子“穿墙术” 瞬间穿越障碍是否能实现
你知道神话传说中的穿墙术吗？你认为它真的能实现吗？很多人甚至是科学家都有过这样一个想法：物体是由微小的粒子组成的，而粒子之间都是存在缝隙的，基于这个原因，如果组成我们身体的粒子全部从一堵墙的粒子缝隙中穿过去，那人类不就会“穿墙术”了吗？
《封神演义》中的土行孙，会突然消失，一转眼又从别的地方冒出来，而哈利·波特也可以从某一地点突然消失，而瞬间出现在遥远的另一点。这些都是在神话和科幻电影中才会出现的场景。但是，随着量子物理学的发展，粒子的“穿墙术”已经练到炉火纯青的境界了。
当然，首先要说明的是，对于粒子来说，它穿的“墙”一般来说不是人们日常生活中所说的那种实物的墙而是由电荷排斥力、核力等作用力形成的无形的能量“墙”。比方说，一个粒子只有6兆电子伏特的能量，但它至少需要10兆电子伏特的能量才能克服电荷排斥力进入原子核内，那么对它来说，就好比有一堵无形的“墙”把它挡在了原子核外。
我们的日常经验告诉我们，一个人如果被一座大山挡住了，而他又没有力气爬到山顶翻越过去，那他就只能老老实实在山的一边待着了。不过对于微观粒子来说，遇到了能量的“高山”或者“墙”，它可不会束手待毙，相反，它会鬼使神差般地出现在“山”或者“墙”的另一头，仿佛“山”底下有个隧道让粒子钻了过去，这种现象在量子物理学中有个颇为形象的名称，叫做“隧道效应”。
要解释这一现象就要牵涉到物理学中有关微观粒子运动的描述，即量子力学中波粒二象性这一重要理论。简单的解释就是，粒子都被证明有两面性，既可以是粒子，又可以是波。
作为粒子比较能够被很好的接受，可是作为波，就不好理解了，因为这里所指的波有一些奇怪的特性，不同于人们经常提及的电磁波、声波。一方面，它具有我们通常所说的波的反射、衍射、透射等全部特点；可是另一方面，这种波又叫“概率波”，它还表示粒子在空间某一点的可能性有多大，形象的比喻就是某一时刻一个人在办公室、在家，或者在电影院、体育场、商场的概率有多大。
当一个粒子的粒子性对它遇到的能量形成的障碍束手无策时，它就会显出波动性的一面来。这就如同武功高手一样，不采取硬碰硬的手段，要以柔克刚。于是这时粒子的就产生了波的反射与透射，这其中大部分波被“能量山”挡住了，反射了回来；但还是有小部分被透射过去，跑到“山”的另一头去了，这也就是粒子“穿墙术”的真正原因。而且这个“墙”越薄，粒子穿墙而过的概率就越大。经典物理学认为只要这个“能量墙”无穷的高大，就可以把所有粒子都挡在外面了；但在量子物理学上，粒子依然有一定的概率穿过去。
如果粒子可以穿墙，那有一天人类是不是也可以像电视剧里面所演的一样，进行穿墙呢？韩正甫教授说，理论上这样的场景是可以实现的。从物理学角度来讲，这叫做量子态隐形传物，其过程是这样的：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。
理论上虽然是可行的，但是现实中要实现它却是难关重重。其一，发射仪器必须在目的地将人重新组合起来。为了知道如何组合，它就需要获得人体所有原子结构的精确信息，经物理学家计算，据计算传输这些数据对于今天速度最快的计算机来说，也会花去比宇宙年龄还要长2000倍的时间。况且，精确描述人的原子结构非常棘手，从根本上来说是不可能的。其二，人的身体是由物质组成的，如果用光速把人的身体移动到另一个地点，那么，就必须将它“唯物质化”。单单突破原子核内部的限定力，就必须把身体加热到一万亿摄氏度，这个数据已经比太阳内部的热度还要高几百倍。所以，就目前的科技发展来看，现实中人要做穿墙是不太可能实现的。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜亦称为“隧道扫描显微镜”“扫描穿隧式显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。作为一种扫描探针显微术工具，它具有比它的同类原子显微镜更加高的分辨率，可以让科学家观察和定位单个原子。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。扫描隧道显微镜使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、生命科学、材料科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
7. 能量 世界运行的动力之源
俗话说得好：“人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌”。我们每天都要吃饭，吃饭的过程其实就是人体补充能量的过程。有了能量，我们才能够运动，思考，做各种事情。其实，不光是人体，能量是所有物体运动的力量之源，自然界中的各种运动都离不开能量。
世界要存在就离不开物质的运动，而说到物质的运动就一定会提到能量，人们就是在能量不断的相互转化中生存发展起来的，即使是人本身也必须能量才能活下去，比如说蛋白质的转化等，所以说能量是世界运行的动力源泉。
物质运动不仅有多种形式，表现各异，而且可互相转换，从而表明这些运动之间有共性，并且拥有内在的统一的量度，能量就是物质运动的一般量度。能量是以内能、电能、机械能、化学能等各种形式出现在不同的运动中的，并且能够通过热传递、做功等方式进行相互的转换。由于能量的形式多样性，所以焦耳、千瓦时、电子伏（特）等都是它不同形式下的相关单位。
随着全球气候变暖和能源危机，各国现在最主要的研究话题都是围绕着无污染绿色能源的开发和利用展开的，在这些话题中有关于水能、风能、太阳能等的研究已经成为了重中之重。
水能是利用水的落差在重力作用下所形成动能，从河流或水库等高位水源处向低位处引水，利用水的压力或者流速冲击水轮机，使之旋转，从而将这里形成的水能转化为机械能，然后再由水轮机带动发电机旋转，切割磁力线产生交流电，这就是现在人们比较常说的水力发电。
我国的水能资源蕴藏量和可能开发的水能资源，都居世界第一位。截至2007年，中国水电总装机容量已达到1.45亿千瓦，水电能源开发利用率从改革开放前的不足10%提高到25%。水电事业的快速发展为国民经济和社会发展作出了重要的贡献，同时还带动了中国电力装备制造业的繁荣。
风能的利用主要有两种形式，分别是风力发电和以风能做动力，而在这其中又以风力发电为主。
丹麦是世界上最早利用风力发电的国家，与其他国家相比，丹麦风力发电的使用率也颇高。虽然丹麦只有五百多万人口，却是名副其实的世界风能发电大国和发电风轮生产大国，世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术，而且世界10大风轮生产厂家有5家都在丹麦。丹麦真可以称得上是“风车大国”。
截止到2006年底，德国、西班牙和美国在世界风力发电总量居前三位，三国的风力发电总量占全球风力发电总量的60%。
此外，随着科学技术的不断发展，风力发电正在逐渐走进普通居民住宅里。在英国，著名环保组织“地球之友”的发起人马蒂·威廉在其住宅的迎风院墙前，矗立了一个扇状涡轮发电机，随着叶片的转动，不时将风能转化为电能，为其提供日常的生活用电。家庭安装微型风能发电设备，不但可以为生活提供电力，节约开支，还有利于环境保护，堪称世界“最环保住宅”。目前，迎风缓缓转动叶片的微型风能电机正在成为英国一种新景观。
而太阳能在现代的发展则是更为迅速，无论是上述提到的水能、风能还是波浪能、海洋温差能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；甚至是地球上的煤等化石燃料，从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。广义的太阳能所包括的范围非常大，而我们这里主要讨论的是狭义的太阳能，即限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
太阳能是最无污染的新能源，被使用在了多个领域，像是太阳能热水系统、太阳能发电、太阳能暖房、太阳能灯等都已经被人们所熟悉和接受了，而且人们现在已经开始着手开发研究出了太阳能手机、太阳能汽车等新设备了。
太阳能
太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用做发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类就懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换（被动式利用）和光电转换两种方式。太阳能是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等等。
8. 理想气体方程 揭开气体精灵的神秘面纱
如今我们都知道，空气中的氧与磷发生化学反应，会出现自燃的现象。但是，在揭开气体以及气体燃烧的神秘面纱之前，野地中这种飘荡起伏的“鬼火”，曾给人们蒙上了千余年的恐怖阴影。在恐惧的同时，人们又对此充满了好奇，这究竟是怎么一回事呢？
为什么石头不能燃烧而木材、油、煤却都可以燃烧？这是一个曾令科学家们百思不得其解的问题，时间就这样在猜想中逐渐流逝。直到18世纪初，法国化学家贝歇尔的学生，普鲁士王御用医师，德国哈勒大学医学教授斯塔尔，依据“燃烧是释放燃烧性油土的过程”的理论，首次对燃烧现象作出了理论性解释，提出系统化的“燃素说”（燃素即是构成火的元素）。“燃素说”认为，燃烧的本质是燃素的燃烧，它不会自主分离，只有在空气的帮助下发生燃烧，才能从物体中脱离出来，是被禁锢的火。
1766年，英国科学家卡文迪许在他发表的论文中，提到了他在实验中发现的一个怪异现象——若将锌片等金属物质放入稀硫酸中，金属片会立即产生像空气一样的无色无味气体，这种气体一旦遇到火源，就会迅速燃烧甚至发生爆炸。这个发现使半个世纪来寻找着“被禁锢的火”并为此而困惑的各国科学家不禁眼前一亮——“燃素找到了”！由于卡文迪许的实验结果完全符合燃素说——“金属-燃素=灰烬”这一理论，因此，在这些苦苦追寻的科学家们看来，那些无色无味的气体就是燃素。就此，“燃素说”似乎第一次在实验上得到了证实。
自然，这种说法若在今天看来，无疑是漏洞百出的。但在当时，由于该学说从理论上解释了包括“燃烧”在内的多数化学现象，因此为多数科学家所认可，在此后的几百年中一直畅行无阻。以至于舍勒和普利斯特列虽然在实验中已经感受到了“燃素说”的矛盾（普利斯特列甚至已经发现并提取了氧气），却依然坚信这种理论是正确的。
1775年，普利斯特列发表论文，阐述“脱燃素空气”理论，这使得法国化学家拉瓦锡受到了很大启发，他认为这是一种新的气体元素。于是，拉瓦锡严格重复了以上两人的实验，并最终推理出较合逻辑的结论：空气本身不是元素，而是由氧气及氮气构成主要物质的混合物。
1778年，拉瓦锡再次提出：所谓的燃素其实并不存在。在任何情况下，燃烧过程都是可燃物质与氧的化合，由于可燃物质在燃烧过程中吸收了氧，而使其重量增加。
至此，“燃素说”的统治时代宣告结束，人们终于洞悉了燃烧的本质，与此同时，科学家们也越来越重视气体特性的研究工作。
1805~1808年之间，盖—吕萨克通过反复的“气体反应体积”研究，得出了盖—吕萨克定律：当压强不变时，一定质量的气体，其体积与热力学温度成正比。这一重要结论促进了分子学说的产生，逐渐建立了化学的理论体系。
1830年，法国科学家克拉伯龙自俄罗斯进修归国，在前人基础上，他归纳出了著名的理想气体状态方程（也称理想气体定律或克拉伯龙方程），即pV=nRT。在此方程中p为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体的物质的量，单位mol；R为比例系数，不同状况下数值有所不同，单位是J\/（mol·K）；T为体系温度，单位K。p、V、T三个状态参量并不是完全独立的，任何两个参量确定后，另一个参量也就确定了。即只需两个独立参量，便可描述理想气体的状态。
至此，气体精灵的真实面目，终于彻底显露在了人们面前。
“碰到了真理的鼻尖”
其实，瑞典化学家舍勒在对燃烧过程所做的实验中，已经“碰到了真理的鼻尖”——感受到了“燃素说”的矛盾之处，但出于对权威学说的迷信，他未敢坚持自己的研究结果。在他之后，英国化学家普利斯特列同样因为对“燃素说”的信奉，在发现并制取了氧气的情况下，他仍然错误地断言：“木炭之所以烧得更旺，是因为这种气体完全没有燃素，因而才会更贪婪地吸取燃素。”他还将这个发现命名为“脱燃素空气”，以致于后人评述说：“普利斯特列是现代化学之父，但他始终不承认自己的亲生女儿。”
9. 四大定律 人类伟大的发现
热力学的相关内容不涉及深奥的物质微观结构和微观粒子的相关问题，也不涉及特殊物质的具体性质，它完全是根据实验结果综合整理而成的系统理论，是一种唯象的宏观理论，因此它具有高度的可靠性和普遍性。四大定律的出现，为热力学的发展提供了重要的理论支撑。
四大定律被誉为人类最伟大的十个科学发现之一，多位科学家为了这门学科的发展作出了重大的贡献。如果没有四大定律的研究以及发现，能量就不可能转变成“功”，而很多工程技术和发明就不会诞生。
身处蒸汽机迅速发展并且被广泛应用的年代的法国物理学家卡诺，看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。首先，他从理论的高度入手对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律。他提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。另外，在充分应用理想模型的研究方法的基础上，他独辟蹊径，运用富有创造性的想象力，制造出了理想化的热机——后称卡诺可逆热机（卡诺热机）。
在他现存的少量手稿论文中提到：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。由于受到当时热质说的束缚，卡诺当时未能完全探究到问题的底蕴。但从其论文的内容来看，卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想。
1843年8月21日，在英国科学协会数理组会议上，焦耳宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》。这篇论文强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了电磁能或机械能，总在某些地方能得到相当的热。他用了近40年的时间，先后用不同的方法做了四百多次实验，经过不懈地钻研，他终于测定了热功当量，并得出了结论：热功当量与做功方式无关，它只是一个普适常量。他的这一实验常数，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。
时隔三年后，亥姆霍兹在1847年发表《论力的守恒》，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，指出它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。这是人们第一次系统地阐述了能量守恒原理，揭示各种运动形式之间的统一性，它使得物理学达到空前的综合与统一。这是首次将能量守恒定律应用到热力学上，而这就是热力学第一定律，同时这条定律也是发明温度计的原理。
1850年，克劳修斯首先提出了熵的概念，并从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律：热量不可能不花任何代价地自发地从低温物体传向高温物体。
1906年，德国化学家能斯特根据对低温现象的研究，得出了“能斯特热定理”，人们称之为热力学第三定律。这一发现有效地解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题，由此，他获得了1920年诺贝尔化学奖。
量子物理学的开创者和奠基人德国物理学家普朗克，在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。然后在1911年普朗克提出了对热力学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。
在科学界通常是将热力学第一定律及第二定律作为热力学的基本定律，但有时将温度存在定律当做第零定律，有时又增加能斯特定理当做第三定律，而这四个定律就是热力学中有名的四大定律，也是热力学最基本的定律。
第一支温度计
最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略发明的。这支温度计的一端是一根敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。由于这种温度计受外界大气压强弱等环境因素的影响较大，所以测量误差较大。
10. 热功当量 思维巧妙的实验结论
人们对热的本质的研究在18世纪时走上了一条弯路。当时，虽然曾有一些科学家对在物理学史上已经统治了一百多年的“热质说”产生过怀疑，但由于人们一直没有办法解决热和功的关系的问题，从而也就无从证明这种理论的错误性。而自学成才的英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，经过多年的不懈努力，最终为解决这一问题指出了方向。
焦耳，全名詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，是英国著名的物理学家。1818年12月24日，焦耳出生于英国曼彻斯特的索福特。他的父亲是一名酿酒厂厂主。焦耳并没有受到过正规的教育，自幼他便跟随父亲参加酿酒劳动。他青年时期，在别人的介绍下，有幸认识了著名的化学家道尔顿，从此焦耳在道尔顿热情的教导下开始虚心学习化学、数学和哲学等知识，而且最为重要的是，道尔顿教会了焦耳理论与实践相结合的科研方法，激发了焦耳在化学和物理方面的兴趣。这些都为焦耳后来的研究奠定了重要的基础。
在早期，焦耳主要研究的方向是电磁机，1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，他想用电磁机代替蒸汽机，以此来提高父亲酿酒厂的工作效率。但焦耳并没有达到他的最初目的，由于支持电磁机工作的电流来自锌电池，而锌的价格昂贵，因此用蒸汽机反而比用电磁机合算。虽然这次实践没有取得预想的成功，但是他却从中发现电流可以做功这个现象，这便激发了他进行深入研究的兴趣。
1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流和电阻时的水温。在这一实验中他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流的平方之积成正比。无独有偶，俄国物理学家楞次在四年之后，公布了他的大量实验结果，进一步验证了焦耳关于电流热效应结论的正确性。这条定律称为焦耳—楞次定律，以他们两个人命名，就是为了纪念他们在电流效应方面的贡献。
焦耳—楞次定律总结出以后，焦耳进一步设想电磁机的感生电流产生的热与电池电流产生的热在本质上应该是一致的。1843年，焦耳设计了一个新实验，在这个实验中，他完全否定了热质说。同时，这个实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，他终于测出了热功当量，但结果并不精确。
1843年8月21日，焦耳在英国学术会上报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，在他的报告中提到，1千卡的热量相当于460千克米的功。由于报告没有得到支持和强烈的反响，焦耳意识到自己还需要进行更精确的实验。
1847年，焦耳在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的摩擦，水和量热器都变热了。这是迄今为止，人们认为设计思想最巧妙的实验：根据量热器内水的升高的温度，就可以计算水的内能的升高值；根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。
1849年，焦耳用摩擦使水变热的方法，测得了热功当量的平均值为423.9千克·米\/千卡。后来，他不断改进实验方法，首先，他用鲸鱼油代替水来做实验，接着又用水银……直到1878年，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验，所得的结果跟1849年的是相同的，即为423.9千克·米\/千卡。这个值就是当时被大家公认为的热功当量。一个重要的物理常数的测定，能保持近40年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事，而焦耳是最先用科学实验确立能量守恒定律的人，由于他在热学、电学和热力学方面的贡献，1866年，他曾被授予英国皇家学会柯普莱金质奖章。
热爱实验的焦耳
焦耳天资聪明，喜欢读书，他虽没有接受过学校的正规教育，但他常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。自从认识了化学家道尔顿教授，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。有一次，焦耳与哥哥一块找来一匹跛马，把电流通到马身上，马受到刺激便狂跳起来。焦耳记下电流的大小和马的狂跳程度，说这是用马来观察电击实验。还有一次，焦耳用火药枪发出的巨响做回声实验。为使响声更大些，他向枪膛中装了三倍的火药，结果枪口喷出的火焰把焦耳的眉毛都烧光了。
11. 虹吸现象 水利工程里的小秘密
虹吸原理是人类在饮水灌溉过程中发现的，体现了劳动人民的无穷智慧。早在公元前1世纪，就有人造出了一种奇特的虹吸管，可见这是人类的一种古老发明。在这一节中，我们就来讲述一下虹吸现象这个水利工程中发现的小秘密。
在中国古代称为“注子”、“渴乌”、“偏提”或“过山龙”的东西，其实就是应用虹吸原理制造的虹吸管。东汉末年，首先出现了在灌溉用的渴乌。与此同时，西南地区的少数民族用一根去节弯曲的长竹管饮酒，也是应用了虹吸的物理现象。到了宋朝时期，曾公亮《武经总要》记载，人们用竹筒制作虹吸管把峻岭阻隔的泉水引下山。
虹吸原理在中国古代除了应用在农业方面外，还运用在了军事上，这就是唧筒。唧筒首次出现在宋代苏轼《东坡志林》卷四中，四川盐井中用唧筒把盐水吸到地面。明代的《种树书》中也讲到用唧筒激水来浇灌树苗的方法。后来，经过人们的不断改进，唧筒成了战争中一种守城必备的灭火器。
中国古代，许多原理仅仅停留在了实际应用的方面，但虹吸原理不同，人们把它上升到了理论高度。在南北朝时期成书的《关尹子·九药篇》说：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则（水）不降。井虽千仞，汲之水上；盖（气）不降则（水）不升。”唐代的王冰在《素问》中曰：“虚管溉满，捻上悬之，水固不汇，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。”他明确地指出，一个小口的空瓶灌不进水是因为瓶里气体出不来，这即是早期记述得较为清楚的有关大气压力的物理现象。宋代俞琰在《席上腐谈》中补充了前人的发现，说：“予幼时有道人见教，则剧烧片纸纳空瓶，急覆于银盆水中，水皆涌入瓶而银瓶铿然有声，盖火气使之然也；又依法放于壮夫腹上，挈之不坠。”把燃烧的纸片投入瓶里，会使瓶里的一部分空气排出瓶外，瓶内的气压由此减小，形成负压，这时如将瓶子放入水中，大气压力就会使水涌入瓶内；若用类似的方法，则大气压力会使瓶子紧压在人腹部，现在人们熟知的拔火罐，其原理就是如此。由于在正常的大气压下虹吸管的作用比在真空时好，所以人们常常认为虹吸作用完全是由大气压力所产生的。但是事实上，这个看法是不对的，在真空里也能产生虹吸现象。
虹吸现象在实际的生活中应用得非常广泛，比如日常生活中，家里的鱼缸换水，卫生间马桶的应用，汽车司机常用虹吸管从油桶中吸出汽油或柴油，河南、山东一带应用虹吸管把黄河里的水引到堤内灌溉农田，等等。但最对人类有着最重要意义的是虹吸泄洪。虹吸泄洪的这种方法，对于自然灾害频繁的我国来说是极其重要的。虹吸泄洪可以自动运行：当洪水来临，大坝内的水位逐渐升高，当水位达到或超过泄洪水位时——水位与虹吸管顶部持平或稍高，这时洪水流入虹吸管内，把空气排净，使虹吸管处于真空状态，这时虹吸管正常工作。由于出水管的关口与坝内水位落差的作用，产生强大的吸力，使洪水高速飞泻。当水位降到泄洪线以下，进水管口以上，虹吸泄洪仍能正常运行。当水位降到安全水位线——虹吸管的进水口露出水面，虹吸泄洪就自动停止，但当洪水再度升高到泄洪水位时，虹吸管再度自行排洪。
每建一座拦水大坝，首先要保证洪水到来之即该水利工程的安全，但是传统的泄洪工程，需要一整套泄洪设施与之配套，才能使洪水能快速顺利通过。而具有宽而深的引洪道、钢铁铸造的巨型闸门、大型起吊闸门等等设备庞大笨重且耗资巨大，技术含量高，寿命短，不易维护。如果改用虹吸泄洪，根本就不需要以上的投资，仅仅只建造数根虹吸管和相配套的小功率抽气机就可以了。
虹吸自动冲水器
公厕中的便池需要定时用水冲洗，但是公厕一般无人值守，可又不能让水无节制地哗哗直流，因此，就可利用虹吸原理设计一种自动装置，调节放水阀门，让水细细地流进下面的容器，当容器中的水面超过弯管顶部时，弯管中便充满了水，下端放水口就有水流出冲洗便池，容器中水面不断下降，但只要没有低于弯管的上端口，水就会继续流出，直到上端口露出水面，水流就会停止，这段时间就是虹吸的作用。调节弯管上端口的高度，可以改变每次冲洗的出水量；调节放水阀门放水量的大小，可以改变两次冲洗的时间间隔。
12. 云雾室 粒子侦探处
云雾室是一种早期的核辐射探测器﹐也是最早的带电粒子径迹探测器，也称云室。由于其发明者为英国物理学家威尔逊，因此一般又称为威尔逊云室。也许你的好奇心又起来了，别着急，下面就让我们一起来参观一下这座“粒子侦探处”，看看在云雾室中，究竟都有着哪些好玩的物理学现象。
1895年时，在卡文迪什实验室，威尔逊开始了他对云的形成的研究。他让水蒸气在他设计好的玻璃容器中膨胀，发现达到饱和状态的水蒸气遇到游离的灰尘或者带电离子核，便会凝结成小水珠，这就是云雾形成的原因。
根据以上发现，经过多次反复实验，终于在1911年发明了著名的威尔逊云雾室。同年，威尔逊用自己发明的云室观察并照相记录下来了历史上第一次关于α和β粒子的径迹记录。
简单地解释一下：云雾室就是在一个充满了干净空气和酒精或乙醚的饱和汽的空间里面，不小心闯进去了一个肉眼看不见的带电微粒，它就成了“云雾”凝结的核心形成雾点，这些雾点显示出的便是微粒运动的“足迹”。
威尔逊于1911年制造的第一个云雾室，现在看来是比较简单的，然而在当时，它却是攻克现代科学堡垒的一件相当有用的锐利武器，尤其是在早期对基本粒子的研究方面，它更是提供了必不可少的帮助。正因为有了它，才能使观察带电基本粒子或离子的运动径迹这种原本只能在微观世界中存在的现象成为可能，并且真实地摆在人们面前，也正是由于发明了云雾室才把人们带进了微观世界之中。
1927年，因为云雾室对物理学界甚至是人类世界的重要贡献，威尔逊当之无愧地荣获了诺贝尔物理学奖。
自从云雾室发明以后，众多的科学家开始利用它来完成自己的研究，1927年与威尔逊共同分享诺贝尔物理学奖的康普顿就是其中之一。他利用威尔逊云雾室演示了光子与电子碰撞从而证明了反冲电子的存在，进而毫无疑问地证明康普顿效应的正确性。
除去康普顿之外，安德逊也将云室置入一个强磁场之中观察宇宙射线，宇宙射线进入云室后会留下轨迹，拍下轨迹的照片，即可用来进行分析。通过分析他发现了由英国物理学家狄拉克预言过的“反”粒子，这是人类第一次从实验上发现了反物质，为物理学家探寻新的粒子指明了新的方向，同时这也是人类在对物质世界认识上进行了一次巨大的飞跃。安德逊也由此成为获得了诺贝尔物理学奖。
英国物理学家查德威克是利用威尔逊云雾室进行实验从而获得了诺贝尔物理学奖的第三人，他采用电离室、计数器和云雾室实验，证实玻特的贯穿辐射不是γ射线，而是一种以前尚未发现的与氢核（质子）的质量差不多，但不带电的中性粒子，而这种粒子就是人们现在所说的中子。
其实我国也有和云雾室相关的研究，比如1935年清华大学物理系教授——物理学家霍秉权，在任教的同时致力于云雾室的研究，自制成小“云室”，并在此基础上做成了“双云室”用以观察宇宙射线。这种“双云室”性能良好，观察宇宙射线径迹清晰，这一创造得到国际著名物理学家玻尔和威尔逊的充分肯定。
1956年中国物理学家张文裕利用从国外带回的建造云室用的高级平面玻璃和一些实验工具，建成了中间一个加有磁场的，包括三个云室的大云室组，这成为当时国际上规模最大的云室组，为国家培养了一批宇宙线研究人才。
综合以上所有事实证明，云雾室的发明在科学的历史进程上是一个重要的存在，如果没有威尔逊云雾室，许多重要的原子核物理现象和宇宙现象就不可能被人所发现。
云雾产生的条件
1894年秋天，英国物理学家威尔逊在苏格兰一个山上度假。山顶上经常云雾缠绕，变幻万千，游客们都被这迷人的景色所陶醉，威尔逊却突发奇想，要在实验室里制造云雾。为此，威尔逊研究归纳了产生云雾的条件：一个是空气中的水蒸气必须处于饱和状态，否则水蒸气不会凝结成小水珠；另一个条件是空气中有一些“凝结核心”，通常，空气中的尘埃起凝结核心的作用。这些微小颗粒上面经常聚集了一些电荷，这些电荷会将过饱和水蒸气凝结成小水珠，无数直径很小的小水球悬浮在空气中，构成了云雾的雾滴。